Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ cứng cấu trúc micro-nano

  • Số trang: 53 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 19 |
  • Lượt tải: 0
sakura

Đã đăng 9667 tài liệu

Mô tả:

v MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 2 1.1 Từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường ...................................... 2 1.1.1 Từ trường...................................................................................................... 2 1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường ........................................................ 2 1.2 Hiện tượng từ trễ ............................................................................................. 5 1.3 Dị hướng từ ..................................................................................................... 6 1.3.1 Dị hướng từ tinh thể ..................................................................................... 7 1.3.2 Dị hướng ứng suất ........................................................................................ 8 1.3.3 Dị hướng hính dạng ...................................................................................... 9 1.4 Cấu trúc từ ..................................................................................................... 10 1.5 Vật liệu từ cứng ............................................................................................. 13 1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng ............................................................. 14 1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng ................................................................... 15 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................... 18 2.1 Chuẩn bị màng mỏng từ cứng cấu trúc micro ............................................... 18 2.2 Mô phỏng từ trường bề mặt .......................................................................... 18 2.2.1 Mô hính lý thuyết ....................................................................................... 18 2.2.2 Phương pháp mô phỏng ............................................................................. 19 2.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu................................................... 21 2.3.1 Đặc điểm của tế bào hồng cầu.................................................................... 21 2.3.2 Mô hính lý thuyết ....................................................................................... 22 2.3.3 Khảo sát khả năng bắt giữ tế bào hồng cầu................................................ 23 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 25 3.1 Ảnh hưởng của số lượng nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt ...... 25 3.2 Khảo sát ảnh hưởng của kìch thước nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt....... ........................................................................................................... 33 vi 3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt..... ............................................................................................................. 36 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nam châm lên sự phân bố của từ trường bề mặt .................................................................................................. 39 3.5 Quan sát hính ảnh tế bào hồng cầu bị bắt giữ ............................................... 43 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 46 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 a) Từ trường của một nam châm hình trụ, b) Từ trường của một hạt điện tích chuyển động. ........................................................................................... 2 Hình 1.2 Chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của một điện tử. ................ 2 Hình 1.3 Hình ảnh từ trường của dòng điện thẳng. ............................................. 3 Hình 1.4 Hình ảnh từ trường của dòng điện tròn. ............................................... 3 Hình 1.5 Hình ảnh từ trường của cuộn solenoid.................................................. 4 Hình 1.6 Cách xác định véc tơ cảm ứng từ. ......................................................... 4 Hình 1.7 Trường khử từ Hd của mẫu bị từ hóa. ................................................... 5 Hình 1.8 Đường cong từ trễ M(H) của vật liệu sắt từ với lực kháng từ HC ......... 6 độ từ dư Mr, từ độ bão hòa MS. ............................................................................. 6 Hình 1.9 Ví dụ về dị hướng từ tinh thể trong tinh thể ôxit sắt Fe3O4. .................. 7 Hình 1.10 a) Mômen từ (M) của vật liệu thay đổi dưới ảnh hưởng của ứng suất, b) vật liệu thay đổi hình dạng dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H). ............ 8 Hình 1.11 a) Từ độ bên trong một tinh thể sắt từ, b) Các đường sức cảm ứng từ của vật liệu, c) Trường khử từ phía bên trong vật liệu ngược với chiều của từ độ, d) Các cực từ của tinh thể hình cầu, e) Cực từ của một tinh thể elip tròn xoay với từ độ song song với trục dài, f) Chiều của trường khử từ khi phương của từ độ tạo với trục a của tinh thể elipsoit một góc θ. .................................................. 9 Hình 1.12 Sự sắp xếp của các spin trong các cấu trúc từ. ................................. 10 Hình 1.13 Cấu trúc GMR. .................................................................................. 11 Hình 1.14 Cấu trúc TMR. ................................................................................... 11 Hình 1.15 Cấu trúc Spin – van. .......................................................................... 12 Hình 1.16 Ma trận của bộ nhớ MRAM............................................................... 12 Hình 1.17 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy các bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến (trong trường hợp này là các phân tử DNA đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi DNA) và các hạt từ có thể được liên kết với bề mặt cảm biến thông qua việc lai hóa. ........... 13 Hình 1.18 Tổ hợp của các nam châm từ. ........................................................... 13 Hình 1.19 Sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tích. ..... 14 viii Hình 1.20 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng. ............... 15 Hình 2.1 Hình ảnh màng mỏng sử dụng (a) phương pháp hình thái học, (b) phương pháp từ nhiệt. ......................................................................................... 18 Hình 2.2 Hình ảnh của chương trình MacMMems. ........................................... 20 Hình 2.3 Hình ảnh chương trình Calculator. ..................................................... 20 Hình 2.4 Hình ảnh tế bào hồng cầu. .................................................................. 22 Hình 2.5 Ống nghiệm chứa tế bào hồng cầu. ..................................................... 24 Hình 3.1 a) Mô hình 1 nam châm, b) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm khảo sát dọc theo đường màu đen, c) hình ảnh từ trường bề mặt của một nam châm khảo sát dọc theo đường màu đỏ. ...................................................... 25 Hình 3.2 a) Mô hình 2 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 2 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ..... 27 Hình 3.3 a) Mô hình 3 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 3 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ..... 28 Hình 3.4 a) Mô hình 4 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 4 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mô hình 4 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ................................................................. 30 Hình 3.5 a) Mô hình 6 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 6 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mô hình 6 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ................................................................. 31 Hình 3.6 a) Mô hình 9 nam châm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu xanh tại khoảng cách d khác nhau. ..................................................................... 32 Hình 3.7 Hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ..................................................... 33 Hình 3.8 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm, kích thước 20×20 µm2 được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) kích thước 30×30 µm2, c) kích thước 50×50 µm2, d) kích thước 100×100 µm2. ...... 34 ix Hình 3.9 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 10×10 µm2, chiều dày h = 6 µm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) h = 10 µm, c) h = 15 µm. .......................................................... 37 Hình 3.10 a) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm kích thước 50×50 µm2, chiều dày h = 10 µm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau, b) chiều dày h = 30 µm, c) chiều dày h = 50 µm. ............... 38 Hình 3.11 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 1µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ................................................................................... 40 Hình 3.12 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 5µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ................................................................................... 41 Hình 3.13 a) Mô hình 9 nam châm có kích thước 10×10 µm2,khoảng cách giữa các nam châm là g = 15µm, b) hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đen tại khoảng cách d khác nhau, c)hình ảnh từ trường của mô hình 9 nam châm được khảo sát dọc theo đường màu đỏ tại khoảng cách d khác nhau. ................................................................................... 42 Hình 3.14 Sự phân bố của tế bào hồng cầu trên mảng vi nam châm. ............... 44 1 MỞ ĐẦU Từ tình là một thuộc tình của vật liệu. Nhín chung các chất, ở mọi trạng thái, dù ìt hay nhiều đều biểu hiện tình chất từ. Vật liệu có thể có tình chất sắt từ mạnh như các nam châm từ cứng đất hiếm - kim loại chuyển tiếp, cũng có thể có tình nghịch từ yếu như các phân tử sinh học. Việc nghiên cứu tình chất từ của vật liệu bằng phương pháp mô phỏng đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ví phương pháp này rất đơn giản, cho kết quả nhanh và chình xác, qua đó có thể cho phép tiết kiệm về mặt thời gian thao tác cũng như chi phì thực hiện quá trính nghiên cứu. Các vật liệu từ có nhiề u ứng dụng quan trọng trong khoa học kỹ thuật và cuộc sống. Một trong các hiệu ứng được quan tâm nghiên cứu đó là khả năng giữ các phần tử kìch thước nhỏ và có tình nghịch từ nhờ sự phân bố của từ trường không đồng nhất trên bề mặt của các cấu trúc sắt từ. Bằng việc sử dụng các cấu trúc từ có kìch thước phù hợp, chúng ta có thể lưu giữ được các phần tử sinh học mà không cần sử dụng đến quá trính chức năng hóa bề mặt vật liệu dùng để bắt giữ các phần tử sinh học cần nghiên cứu. Luận văn này được thực hiện với mục đìch khảo sát sự phân bố của từ trường trên bề mặt các nam châm từ cứng NdFeB có cấu trúc micro-nano bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng. Ảnh hưởng của các thông số như số lượng nam châm, kìch thước nam châm, chiều dày nam châm và khoảng cách giữa các nam châm sẽ được nghiên cứu một cách hệ thống. Bên cạnh đó luận văn cũng đã thử nghiệm việc bắt giữ phần tử sinh học bằng cách sử dụng các vi nam châm NdFeB. Trong luận văn này phần tử sinh học bị bắt giữ là tế bào hồng cầu. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Từ trường và các đại lượng đặc trưng cho từ trường 1.1.1 Từ trường Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tìch chuyển động và chỉ tác dụng lực từ lên điện tìch chuyển động trong nó. (a) (b) Hình 1.1 a) Từ trường của một nam châm hình trụ, b) Từ trường của một hạt điện tích chuyển động. Từ trường có thể được tạo ra bằng hai cách: sử dụng các cuộn dây có dòng điện chạy trong dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu. Trong các nam châm vĩnh cửu không có các dòng điện theo nghĩa thông thường mà chỉ có chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của điện tử. Đó là nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ trong vật liệu [3]. Hình 1.2 Chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của một điện tử. 1.1.2 Các đại lượng đặc trưng cho từ trường  Cường độ từ trường H Cường độ từ trường là một đại lượng véctơ, đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường. 3 - Trong chân không: H B [A/m] (1.1) o với µo = 4π.10-7 [H/m] là độ từ thẩm trong chân không. - Đối với các vật liệu từ: B H  [A/m] (1.2)  với   o 1    là độ từ thẩm và χ = M/H là hệ số từ hóa. Trong hệ đơn vị SI, đơn vị cường độ từ trường là Ampe/met (A/m) Có thể liệt kê biểu thức xác định từ trường H của một số dòng điện có dạng đơn giản như sau: - Từ trường của dòng điện thẳng: I H u [A/m] (1.3) 2r Trong đó I là cường độ dòng điện, r là khoảng cách tình từ dây dẫn và uө là véc tơ đơn vị tiếp tuyến với đường tròn bán kình r [3]. Hình 1.3 Hình ảnh từ trường của dòng điện thẳng. - Từ trường tại tâm dòng điện tròn bán kình r: I u z [A/m] 2r Với uz là pháp tuyến đơn vị của mặt phẳng của vòng dây [3]. H Hình 1.4 Hình ảnh từ trường của dòng điện tròn. (1.4) 4 - Từ trường tại tâm của một cuộn solenoid với chiều dài l và số vòng dây N: N (1.5) H  Iu z [A/m] l ở đây uz là véc tơ đơn vị hướng dọc theo trục của cuộn dây [3]. Hình 1.5 Hình ảnh từ trường của cuộn solenoid.  Cảm ứng từ B Cảm ứng từ B là đại lượng véctơ, đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực. Hình 1.6 Cách xác định véc tơ cảm ứng từ. Cảm ứng từ được xác định bằng công thức: F [T] (1.6) Il sin  Với I là cường độ dòng điện tác dụng lên dây dẫn, l là chiều dài dây dẫn, F là lực từ tác dụng lên dây dẫn và α là góc hợp bởi véc tơ cảm ứng từ và dây dẫn. Đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (T) B  Từ độ M Từ độ hay độ từ hóa là một đại lượng véctơ, được xác định bằng tổng các mômen từ trên một đơn vị thể tìch. Công thức xác định từ độ: dm [A/m] (1.7) dv Với dm là mômen từ tổng cộng của vật liệu, dv là yếu tố thể tìch của vật liệu. Đơn vị của từ độ là A/m. M 5  Trường khử từ Trường khử từ là trường xuất hiện trong vật có từ tình, và có xu hướng khử từ vật liệu. Cường độ trường khử từ Hd ngược chiều với từ trường từ hóa do sự xuất hiện các từ cực trên mặt ngoài của vật gây ra. Trường khử từ chống lại quá trính từ hóa, nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tìch bề mặt của các cực. Hình 1.7 Trường khử từ Hd của mẫu bị từ hóa. Đối với một khối chữ nhật như trên hính 1.7, khi véctơ M hướng dọc theo chiều dài. Trường khử từ có thể được xác định bằng công thức: Hd = -NM (1.8) Dấu (-) chỉ hướng ngược nhau của Hd và M, N là hệ số trường khử từ, N phụ thuộc vào hính dạng của mẫu và phương đo. 1.2 Hiện tượng từ trễ Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trính từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tình của các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ [8]. Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (từ độ - từ trường M(H), hay cảm ứng từ - từ trường B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều ngược, thí nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác [8]. Và nếu ta đảo từ theo một chu trính kìn (thay đổi từ trường ngoài theo hướng ngược lại), thí ta sẽ có một đường cong kìn gọi là đường cong từ trễ hay chu trính từ trễ (xem hính 1.8). Tình chất từ trễ là một tình chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tình của của các chất sắt từ. 6 Hình 1.8 Đường cong từ trễ M(H) của vật liệu sắt từ với lực kháng từ HC độ từ dư Mr, từ độ bão hòa MS. Trên đường cong từ trễ, ta sẽ xác định được các đại lượng đặc trưng của chất sắt từ như: - Từ độ bão hòa (MS): Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là tất cả các mômen từ của chất sắt từ song song với nhau. - Từ dư (Mr hay Br): Là giá trị từ độ khi từ trường được khử về 0. - Lực kháng từ (HC): Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của mẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều. Đôi khi lực kháng từ còn được gọi là trường đảo từ. - Từ thẩm (μ): Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của các chất từ tình dưới tác dụng của từ trường ngoài. Từ thẩm của các chất sắt từ có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài. Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa các mômen từ có tác dụng ngăn cản chúng quay theo từ trường ngoài. Có nhiều cơ chế khác nhau tạo nên hiện tượng từ trễ cũng như các dạng đường cong từ trễ khác nhau: cơ chế quay các mômen từ, cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen, cơ chế hãm sự phát triển của mầm đảo từ. 1.3 Dị hướng từ Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của tinh thể, tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theo các phương khác nhau của tinh thể, đó là tình dị hướng từ [3]. Mỗi tinh thể có một hướng nào đó mà độ từ hóa luôn có xu hướng định hướng theo phương đó, và theo hướng đó, quá trính từ hóa sẽ diễn ra dễ nhất gọi 7 là trục từ hóa dễ. Và khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90 o so với trục từ hóa dễ) thí quá trính từ hóa sẽ khó hơn, và sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa, trục đó gọi là trục từ hóa khó. Dị hướng từ phụ thuộc vào năng lượng nội tại của hệ tại một hướng nhất định nào đó của từ độ tự phát. Năng lượng đó được gọi là năng lượng dị hướng từ. Nếu dị hướng từ gây ra bởi tình đối xứng trong cấu trúc tinh thể của vật liệu thí được gọi là dị hướng từ tinh thể. Bên cạnh nguồn gốc do tình đối xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hính dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau [4]. 1.3.1 Dị hướng từ tinh thể Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tình có nguồn gốc liên quan đến tình đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ. Dị hướng từ tinh thể là một đặc điểm nội tại của vật liệu sắt từ, nó phụ thuộc nhiều vào kìch thước và hính dạng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng được nhận ra khi ta tiến hành khảo sát đường cong từ hóa theo các hướng tinh thể khác nhau. Dị hướng từ ảnh hưởng mạnh đến hính dạng của đường cong từ trễ, cũng như sẽ quyết định đến giá trị lực kháng từ HC và độ từ dư Mr [4]. Hình 1.9 Ví dụ về dị hướng từ tinh thể trong tinh thể ôxit sắt Fe3O4. Hính 1.9 minh họa đường cong từ hóa ban đầu của vật liệu ôxit sắt Fe 3O4. Tùy thuộc vào sự định hướng tinh thể của mẫu trong từ trường, mà từ độ sẽ bão hòa ở những giá trị từ trường khác nhau. Ở khoảng 130oK, trục <111> là phương từ hóa dễ, <100> là phương từ hóa khó, còn <110> là phương trung gian chuyển 8 tiếp giữa hai trạng thái. Với vật liệu ôxit sắt Fe3O4 hính cầu sẽ có 6 hướng dễ từ hóa tương đương với 3 trục <111> [24]. 1.3.2 Dị hướng ứng suất Ngoài sự đóng góp của dị hướng từ tinh thể, còn có sự đóng góp đáng kể khác của dị hướng từ ứng suất. Dị hướng ứng suất thường được thấy trong các vật liệu từ giảo. Hiện tượng từ giảo là hiện tượng hính dạng, kìch thước của vật liệu từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng cả từ trường ngoài. Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh [1]. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tìch của môi trường. Hình 1.10 a) Mômen từ (M) của vật liệu thay đổi dưới ảnh hưởng của ứng suất, b) vật liệu thay đổi hình dạng dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H). Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo bằng 0), tất cả các vị trì của các iôn lân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện tử. Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi, nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên không dẫn đến sự thay đổi về kìch thước cũng như hính dạng mẫu. Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trì phân bố xung quanh không còn tình chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kìch thước cũng như hính dạng mẫu. Hay nói một cách đơn giản, từ giảo phản ánh tình chất đối xứng của mạng tinh thể [4]. 9 Ngược lại, khi tác dụng làm thay đổi hính dạng hoặc kìch thước của vật liệu từ thí tình chất từ của vật liệu cũng thay đổi (hiện tượng từ đảo ngược). Sự kéo căng theo một trục nào đó của vật liệu sẽ tạo ra duy nhất môt phương dễ từ hóa nếu ứng suất đủ lớn để vượt qua các trục từ hóa khác. 1.3.3 Dị hướng hình dạng Dị hướng hính dạng phụ thuộc vào kìch thước và hính dạng của mẫu. Dị hướng hính dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về mặt năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ. Hính dạng mẫu sẽ quyết định các cực từ tự do. Do tương tác giữa các cực từ, sẽ xuất hiện một trường khử từ ngược với chiều từ hóa, chống lại sự từ hóa. Do đó, mômen từ sẽ có xu hướng định hướng theo trục có năng lượng từ hóa nhỏ nhất của vật liệu [4]. Hình 1.11 a) Từ độ bên trong một tinh thể sắt từ, b) Các đường sức cảm ứng từ của vật liệu, c) Trường khử từ phía bên trong vật liệu ngược với chiều của từ độ, d) Các cực từ của tinh thể hình cầu, e) Cực từ của một tinh thể elip tròn xoay với từ độ song song với trục dài, f) Chiều của trường khử từ khi phương của từ độ tạo với trục a của tinh thể elipsoit một góc θ. Hính 1.11a mô tả hướng các véc tơ từ độ bên trong tinh thể sắt từ. Nó làm xuất hiện một từ trường ngoài tinh thể tỉ lệ với mô men từ. Trường ngoài này là một trường hoàn toàn đồng nhất được tạo nên từ các cực tự do phân bố phìa bên ngoài bề mặt của tinh thể (hính 1.11b). Các cực bề mặt không chỉ tạo ra các trường ngoài, mà chúng còn làm xuất hiện một trường nội tại phìa trong tinh thể (hính 1.11c). Trường nội này được gọi là trường khử từ (Hd). Cường độ trường khử từ trước hết tỉ lệ với từ độ của vật liệu. Thêm vào đó, nó còn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực và diện tìch bề mặt các cực. Vì dụ, đối với một khối chữ nhật, véc tơ M hướng dọc theo chiều dài, hai cực khá xa nhau nên Hd sẽ rất nhỏ, ngược lại khi từ độ hướng vuông góc, hai cực gần nhau nên Hd sẽ rất lớn. 10 1.4 Cấu trúc từ  Ở cấp độ nguyên tử, phân tử: cấu trúc từ liên quan đến sự sắp xếp có trật tự của các spin từ trong mạng tinh thể. Cấu trúc thuận từ Cấu trúc sắt từ Cấu trúc phản sắt từ Cấu trúc feri từ Hình 1.12 Sự sắp xếp của các spin trong các cấu trúc từ. Trong cấu trúc thuận từ, các spin định hướng một cách hỗn loạn do tác dụng nhiệt (hính 1.12), khi đặt vào từ trường ngoài H ≠ 0 thí các spin này sẽ định hướng theo từ trường. Cấu trúc sắt từ tương đối đơn giản, tất cả các spin đều hướng theo cùng một hướng khi ở nhiệt độ rất thấp T < TC (TC là nhiệt độ Curie), ở nhiệt độ cao hơn T > TC các spin nay sẽ định hướng một cách hỗn loạn bất chấp trật tự từ . Đối với cấu trúc phản sắt từ, các spin có trật tự phản song song và phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ T < TN (TN là nhiệt độ Neel) từ độ tổng cộng bằng 0. Ở nhiệt độ T > TN các spin lại sắp xếp một cách hỗn loạn như cấu trúc thuận từ. Cấu trúc feri từ các spin có độ lớn khác nhau được sắp xếp phản song song với nhau làm cho từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằng không khi T < TC. Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát. Tại nhiệt độ T > TC trật tự từ bị phá vỡ, cấu trúc feri từ trở thàng cấu trúc thuận từ.  Ở cấp độ màng mỏng: cấu trúc từ là tổ hợp hai hay nhiều lớp vật liệu từ khác nhau sắp xếp xen kẽ nhau hoặc bị ngăn cách bởi lớp vật liệu phi từ.  Cấu trúc GMR (Giant magnetoresistance) Cấu trúc GMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm) được kẹp giữa bởi lớp phi từ (hính 1.13). Trong cấu trúc này các spin của lớp sắt từ thứ nhất sẽ tán xạ qua lớp kẹp phi từ để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai. Khi không có từ trường ngoài thí spin của hai lớp sắt từ ngược chiều nhau, còn khi có từ trường ngoài spin của hai lớp sắt từ sẽ cùng chiều với nhau. 11 Hình 1.13 Cấu trúc GMR.  Cấu trúc TMR (Tunneling magnetoresistance) Cấu trúc TMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm) được kẹp giữa bởi lớp điện môi (lớp cách điện) (hính 1.14). Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng thí các spin của lớp sắt từ thứ nhất sẽ xuyên qua rào thế của lớp điện môi, tán xạ qua lớp điện môi để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai. Hình 1.14 Cấu trúc TMR.  Cấu trúc Spin-van Các màng mỏng có cấu trúc van spin có bốn lớp chình: bên dưới là lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrM), bên trên lớp này là lớp sắt từ đầu tiên (lớp từ cứng) có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng (gọi là lớp ghim), phìa trên là lớp phi từ (hoặc lớp điện môi), phìa trên cùng là lớp sắt từ không bị ghim (lớp từ mềm) có thể quay tự do theo từ trường [14]. Trong các màng mỏng này có thể có các hiệu ứng từ trở khổng lồ do tán xạ spin của hai lớp sắt từ qua lớp phi từ, từ trở dị hướng và Hall phẳng do tương tác spin - quỹ đạo trong các lớp sắt từ. Màng mỏng này có thể ứng dụng chế tạo các máy cảm biến từ trở khổng lồ, từ trở dị hướng hoặc máy cảm biến Hall phẳng. Khi đặt từ trường ngoài nhỏ chỉ có từ độ của lớp sắt từ tự do bị quay theo từ trường ngoài do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớp sắt từ tự do ở vùng từ trường thấp. Từ độ của lớp ghim bên dưới chỉ quay đi khi có từ trường ngoài đủ lớn để thắng trường tương tác trao đổi giữa lớp sắt từ ghim và lớp phản sắt từ. 12 Hình 1.15 Cấu trúc Spin – van.  Cấu trúc từ dạng dãy chuỗi Cấu trúc từ dạng chuỗi là sự tổ hợp có hệ thống của rất nhiều các cấu trúc từ, các sensor, ... để tạo thành một sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thực tế. Sự ra đời của các cấu trúc dạng chuỗi cho phép các phép đo, các thì nghiệm được tiến hành với tốc độ nhanh hơn và độ chình xác cao hơn [2]. Vì dụ bộ nhớ MRAM (Magnetic Ramdom Access Memories) được thiết kế và chế tạo sử dụng vật liệu từ đang được quan tâm và có triển vọng phát triển nhờ các đặc tình tuyệt vời như: không tự xóa, duy trí thông tin tốt, số lần ghi, đọc thông tin cao... (hính 1.16). Một sản phẩm của câu trúc dạng chuỗi nữa là các cảm biến sinh học được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của R.L. Edelstein và các đồng nghiệp ở Washington, Mỹ (hính 1.17) [17], cho phép chúng ta thực hiện các phép phân tìch, chuẩn đoán DNA chỉ trong vòng từ 5 đến 10 phút trong khi đó các phương pháp cổ điển cần tới 3 đến 12 tiếng. Ngoài ra các cấu trúc dạng chuỗi còn có ưu điểm là gọn nhẹ, dễ tìch hợp, độ phân giải lớn, … nên chúng có khả năng cạnh tranh trong việc phân tìch số lượng, tìn hiệu nhỏ. Hình 1.16 Ma trận của bộ nhớ MRAM. 13 Hình 1.17 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy các bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến (trong trường hợp này là các phân tử DNA đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi DNA) và các hạt từ có thể được liên kết với bề mặt cảm biến thông qua việc lai hóa. Trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu một cấu trúc từ dạng chuỗi đơn giản chỉ là tổ hợp của các nam châm từ kìch thước micro (hính 1.18). Các nam châm được sắp xếp theo một trật tự nhất định và công việc của chúng tôi là khảo sát từ trường trên bề mặt của nam châm. Hình 1.18 Tổ hợp của các nam châm từ. 1.5 Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tình từ “cứng” ở đây chình là thuộc tình khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ không xuất phát từ tình chất cơ học của vật liệu từ [9]. Vật liệu từ cứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại. Tùy thuộc vào loại vật liệu từ có thể chia vật liệu từ cứng thành hai loại là: vật liệu 14 truyền thống (thép, nam châm AlNiCo, nam châm ferit) và vật liệu hiện đại (nam châm Sm-Co, nam châm Nd-Fe-B) [15]. Hiện nay các nam châm vĩnh cửu vẫn đang phát triển, việc cải thiện từ tình, thuộc tình cơ học, đặc trưng vật lý và đặc tình hóa học cho phép ứng dụng các nam châm vĩnh cửu một cách rộng rãi hơn. Sự hiểu biết về đặc trưng vật lý của vật liệu từ cứng dẫn đến sự khám phá mới của nam châm từ cứng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp. Việc tím kiếm vật liệu mới với đặc tình nổi bật của vật liệu là nhiệt độ Curie cao, từ độ bão hòa và lực kháng từ cao. Hính 1.19 biểu diễn sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tìch. Mỗi nam châm biểu diễn một từ trường giống nhau nhưng quá trính trong vật liệu từ cứng cho phép giảm thể tìch nam châm. Vật liệu từ cứng hiện đại có thể được sản xuất bởi các công nghệ khác nhau như chế tạo hạt từ bằng phương pháp thủy phân nhiệt, phương pháp đồng khử, chế tạo cấu trúc từ dạng chuỗi bằng phương pháp ăn mòn, quang khắc, phún xạ ... Tùy thuộc vào công nghệ từng công nghệ mà nam châm vĩnh cửu cho những đặc tình khác nhau. Điều đó cho phép sản xuất nam châm đáp ứng nhiều ứng dụng hiện đại. Hình 1.19 Sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tích. 1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, tình chất từ của vật liệu từ cứng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn ... Dưới đây liệt kê một số đặc trưng quan trọng. 15 Hình 1.20 Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng.  Lực kháng từ Đặc điểm được nhắc đến khi nói về vật liệu từ cứng là có lực kháng từ HC lớn nằm trong khoảng 102 ÷ 103 kA/m. Nguồn gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tình đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn [9].  Cảm ứng từ dư Cảm ứng từ dư, thường ký hiệu là Br hay Jr, là cảm ứng từ còn dư sau khi ngắt từ trường. Vật liệu từ cứng có cảm ứng từ dư Br đáng kể.  Tích năng lượng từ cực đại Tìch năng lượng cực đại là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của vật liệu từ, được đặc trưng bởi năng lượng từ cực đại có thể tồn trữ trong một đơn vị thể tìch vật liệu từ. Đại lượng này có đơn vị là đơn vị mật độ năng lượng J/m3. Tìch năng lượng từ cực đại được xác định trên đường cong từ trễ (hính 1.20) thuộc về góc phần tư thứ 2 trên đường cong từ trễ, là một điểm sao cho giá trị của tìch cảm ứng từ B và từ trường H là cực đại. Ví thế, tìch năng lượng từ cực đại thường được ký hiệu là (B.H)max. Để có tìch năng lượng từ cao, vật liệu cần có lực kháng từ lớn và cảm ứng từ dư cao. 1.5.2 Ứng dụng của vật liệu từ cứng
- Xem thêm -